Dwutlenek węgla to gaz cieplarniany, o którym wielu z nas słyszało. Nawet dzieci. Zapoznajemy się z nim po raz pierwszy w szkole na lekcjach chemii. Jest to związek chemiczny, który składa się z atomu węgla (o symbolu C) i i dwóch atomów tlenu (cząsteczki tlenu O2).
Jak wielu z nas wie, zwierzęta wdychają tlen, a wydychają dwutlenek węgla. W terminologii naukowej jest to tak zwane oddychanie komórkowe. Natomiast rośliny w procesie fotosyntezy podczas dnia pobierają dwutlenek węgla i wydzielają tlen. W nocy niektóre rośliny oddychają jak zwierzęta.
–
Przyjrzyjmy się bliżej dwutlenkowi węgla
W atmosferze atom węgla (C) łącząc się z dwoma atomami tlenu, czyli cząsteczką tlenu (O2), tworzą razem dwutlenek węgla (CO2), który z kolei jest absorbowany przez rośliny i glony na całej Ziemi.
C + O2 → CO2
Od ponad 200 lat w atmosferze jest nadwyżka dwutlenku węgla, która pochodzi z naszych emisji. Dlatego też gaz ten w bardzo dużym zakresie przyczynił się do ocieplania atmosfery ziemskiej poprzez większe zatrzymywanie energii cieplnej w zakresie fal w podczerwieni.
Po wybuchu rewolucji przemysłowej opartej na spalaniu paliw kopalnych oraz zwiększonym wylesieniu planety, została zaburzona równowaga energetyczna, podczas której tyle energii cieplnej ile wchodziło do systemu klimatycznego naszej planety, tyle z niej uchodziło w kosmos.
Rys.1. Wzór strukturalny i model cząsteczki dwutlenku węgla
–
Podwójna rola dwutlenku węgla
Ten gaz cieplarniany odgrywa teraz od co najmniej 250 lat podwójną rolę w systemie klimatycznym planety.
a) pozytywna.
Dwutlenek węgla jest związkiem chemicznym, który bierze udział w globalnym cyklu węglowym pomiędzy atmosferą, oceanami i lądami (glebami, skałami i roślinnością) oraz głównym gazem cieplarnianym, który w sposób naturalny z innymi gazami cieplarnianymi, jak metan, podtlenek azotu, ozon stratosferyczny i para wodna, wytwarza efekt cieplarniany.
Ponadto z punktu historycznego, od początku Ziemi jest uczestnikiem życia beztlenowego od około 4 miliardów lat do około 2,5 miliarda lat temu (w eonie hadeiku). A od tamtego czasu do dziś (w całym eonie proterozoiku od 2,5 mld lat do 542 mln lat temu i obecnym eonie fanerozoiku, od tamtego czasu (od eksplozji kambryjskiej) do dziś) wraz z tlenem bierze udział w kształtowaniu życia tlenowego. Tymczasem życie beztlenowe zeszło do „podziemia”. Dosłownie do środowisk odciętych od tlenu.
Również należy nadmienić, że obok wspomnianego procesu biologicznego fotosyntezy dwutlenek węgla w sposób naturalny odgrywa też obecnie znaczącą rolę w środowisku naturalnym w tak zwanej nieożywionej przyrodzie. Wydobywa się on nie tylko podczas erupcji wulkanicznych, ale tez w procesie tlenowego rozkładu materii organicznej. Występuje też podczas naturalnych pożarów. Choć w dobie antropogenicznego globalnego ocieplenia jest to już trudne do określenia, czy to jest rzeczywiście naturalny proces.
b) negatywna.
Dwutlenek węgla jest głównym gazem cieplarnianym w troposferze, który jest emitowany przez ludzką działalność gospodarczą i użytkową do atmosfery i do oceanów. Problemem nie jest sama obecność dwutlenku węgla w cyklu węglowym, ale jego nadmiarowa ilość. Wraz z innymi gazami cieplarnianymi antropogenicznego pochodzenia, jak: metan, podtlenek azotu, ozon troposferyczny, para wodna i gazy przemysłowe, takie jak gazy fluorowane, odpowiada za globalne ocieplenie. Na dzisiejszy dzień oddziaływanie dwutlenku węgla pod względem wymuszenia radiacyjnego (w watach na metr kwadratowy (W/m2)) i koncentracji (stężenia) jest najsilniejsze. Choć w horyzoncie czasowym 100 lat potencjał cieplarniany (GWP – Global Warming Potential) cząsteczki tego gazu jest 28 razy słabszy niż metanu i 273 raz słabszy niż podtlenku azotu.
–
Rozpoznanie własności fizycznych gazów cieplarnianych
W drugiej połowie XIX wieku Eunice Foote ze Stanów Zjednoczonych jako pierwsza dowiodła kluczowego znaczenia CO2 jako gazu, który najszybciej ogrzewa się pod wpływem promieni słonecznych i najwolniej oddaje zgromadzone ciepło. W swoim eksperymencie porównywała temperaturę i tempo podgrzewania pojemników z powietrzem:
a) rozrzedzonym i skondensowanym,
b) suchym i mokrym
c) zwykłym i wzbogaconym w dwutlenek węgla.
Amerykańska uczona Eunice Newton Foote po raz pierwszy ujawniła światu naukowemu, że dwutlenek węgla jest gazem odpowiedzialnym za wzrost temperatury w atmosferze. Niestety mylnie zinterpretowała absorpcję CO2 przez promieniowanie. Prawidłowe niewidzialne światło podczerwone pomyliła z widzialnym światłem słonecznym. Co jednak współczesny świat nauki uczonej wybaczył i docenił ją, ale dopiero w maju 2018 roku, za to, że zwróciła po raz pierwszy uwagę na dwutlenek węgla i parę wodną, że mają własności cieplarniane.
Wyniki Foote zostały przedstawione w 1856 roku na zebraniu American Association for the Advancement of Science przez profesora Johna Henry’ego 1.
W sumie eksperyment, Foote wykazał, że zwiększenie zawartości CO2 w atmosferze zawsze ma związek ze wzrostem temperatury powierzchni Ziemi w skali globalnej. Warto też nadmienić, że także w swoich badaniach zidentyfikowała parę wodną jako gaz cieplarniany.
Następnym badaczem, który zajął się podobnymi badaniami eksperymentalnymi był John Tyndall z Irlandii. Trzy lata później rozpoznał on bardziej dokładnie własności fizyczne dwutlenku węgla i pary wodnej. W przeciwieństwie do Foote skrupulatnie przestudiował prace Fouriera na temat efektu cieplarnianego W szczególności zwrócił uwagę na niewidzialne promieniowanie ziemskie. Jako pierwszy naukowiec poprawnie użył określenia promieniowanie w zakresie podczerwieni. Do celu zbudował specjalny zestaw do badania własności absorpcyjnych gazów w zakresie promieniowania termicznego („radiant heat”) z wykorzystaniem termostosu. I w ten sposób został pionierem spektroskopii absorpcyjnej. 2
Tyndall dodatkowo zbadał też własności cieplne i fizyczne cząsteczek najważniejszych gazów cieplarnianych. Obok dwutlenku węgla i pary wodnej zbadał też właściwości cieplne metanu. Wszystkie te gazy przepuszczają promieniowanie słoneczne (widzialne), a pochłaniają podczerwone (niewidzialne). Ponadto wykazał, że tlen i azot nie posiadają tych właściwości cieplnych. Więc nie są gazami cieplarnianymi.
Profesor Szymon Malinowski w serwisie Nauka o klimacie napisał:
W udoskonalonym eksperymencie John Tyndall pokazał następnie, że własności absorpcyjne par nie różnią się znacząco od własności cieczy: kropelki wody w chmurach pochłaniają promieniowanie podczerwone tak jak para wodna. Wyniki te pozwoliły mu zrozumieć mechanizm działania efektu cieplarnianego.
W sumie Tyndall wykazał, że znając własności cieplne pewnych gazów i cieczy możemy zrozumieć jak działa transfer radiacyjny promieniowania podczerwonego.
–
Rys. Czuły spektrofotometr. Tak zwany termostos. John Tyndall mierzył stopień pochłaniania i emisji promieniowania podczerwonego przez różne gazy wypełniające centralną rurę (rysunek opublikowany w 1861 r.). Źródło: John Tyndall / Domena publiczna
–
Pierwsze obliczenia czułości klimatu na podstawie podwojenia koncentracji dwutlenku węgla
Pierwsze obliczenie podwojenia zawartości dwutlenku węgla, pod wpływem wzrostu temperatury globalnej, poczynając od 1900 roku, czyli wyznaczenie po raz pierwszy czułości klimatu, w swoich badaniach analitycznych pokazał światu naukowemu szwedzki chemik Svante Arrhenius 3.
Wcześniej badacz zapoznał się szczegółowo z pracami Jeana Baptiste Fouriera i Johna Tyndalla, a także zapoznając się z wynikami pomiarów Samuela Pierponta Langleya, postanowił sprawdzić czy czasem podczas nadchodzenia epok lodowcowych nie spada również zawartość CO2 w atmosferze. Okazało się, że tak. W swoim eksperymencie uwzględnił analizę efektu cieplarnianego w związku z CO2, sprzężenie pary wodnej i efekt albedo lodu. Dzięki temu zauważył silniejsze efekty zmian klimatu na biegunach niż na równiku. Obliczenia wykazały, że przy spadku globalnej temperatury poniżej 4-5 stopni Celsjusza koncentracja dwutlenku węgla zmniejsza się o połowę. Z ówczesnego 300 ppm do 150 ppm.
To dało wiele do myślenia Arrheniusowi i postanowił sprawdzić te efekty w odwrotnym kierunku. To znaczy, gdy pod wpływem wzrostu temperatury globalnej rośnie koncentracja CO2. W tym celu szwedzki chemik skonsultował się z geologiem Arvidem Högbomem, który badał naturalne procesy geochemiczne, w tym emisje wulkaniczne. Högbom zauważył, że w tamtym czasie wulkaniczne emisje były mniej więcej takie same jak przemysłowe.
Arrhenius ponownie zaeksperymentował w celu dokładniejszego przyjrzenia się, o ile temperatura urośnie, gdy nastąpi podwojenie koncentracji dwutlenku węgla z 300 ppm na 600 ppm w atmosferze. Z jego obliczeń wyniknęło, ze Ziemia ogrzałaby się o 5-6 stopni Celsjusza powyżej okresu przedprzemysłowego. Było to pierwsze historyczne badanie czułości klimatu na podwojenie zawartości CO2.
Był to wynik prawie dwukrotnie większy niż to co zostało ustalone w 5 Raporcie Oceny IPCC w latach 2013-14 oraz teraz w 6 Raporcie Oceny IPCC w latach 2021-2023. W poprzednim raporcie czułość klimatu na podwojenie CO2 wyniosła 3°C. A w ostatnim raporcie ustanowiony został zakres od 2,5°C do 4°C.
–
Zrozumienie czułości klimatu odegrało rolę w zrozumieniu dynamiki systemu klimatycznego planety. Odkrycie sprzężeń zwrotnych
Dzięki tej bardzo dokładnej i przekonującej teorii Arrheniusa geolog amerykański Thomas C. Chamberlin rozpowszechnił świadomość, że jednym z głównych „regulatorów” temperatury powierzchni naszej planety.
Warto podkreślić, że był on pierwszym uczonym, który pokazał że jedyną drogą do zrozumienia zmian klimatycznych jest uwzględnienie wielu różnych zjawisk i procesów porywających na klimat. Jego zdaniem nie tylko w systemie klimatycznym planety główną rolę odgrywają aktywność Słońca i gazy cieplarniane, ale też oceany, mineralogia, zmiany własności powierzchni Ziemi, przemiany chemiczne.
Chamberlin jest pierwszym uczonym, który odkrył duże znaczenie sprzężeń zwrotnym w systemie klimatycznym. Inaczej mówiąc, procesów klimatycznych, które albo wzmacniają się albo osłabiają podczas wymuszeń.
–
Mechanika kwantowa pomaga dokładniej zrozumieć własności absorpcyjne gazów cieplarnianych
Na całe szczęście hipotezy Tyndalla i Arrheniusa, w których został ukazany znaczący wpływ zawartości atmosferycznego CO2 na klimat, nie została zapomniana. W 1931 r. przypomniał o niej amerykański fizyk Edward O. Hulburt. Bardzo dokładnie powtórzył obliczenia Arrheniusa, w których bardziej szczegółowo opisał własności absorpcyjne CO2 dzięki zapoznaniu się z mechaniką kwantową. W tym samym czasie koncentracja tego gazu wyniosła 308 ppm.
Hulburt uzyskał wynik 4°C przy podwojeniu zawartości CO2 z 308 ppm do 616 ppm. A więc wynik bliższy współczesnym. 4
–
Pierwsza historyczna korelacja globalnego wzrostu stężenia CO2 ze wzrostem temperatury globalnej
Pierwszym uczonym, który pozbierał dane temperatury z wielu stacji meteorologicznych na całym świecie był angielski inżynier i meteorolog hobbysta Stewart Guy Callendar, Jako pierwszy przeanalizował w 1938 r. dane meteorologiczne od połowy XIX w. Zauważył wyraźnie dodatni trend przebiegu temperatur w ciągu dziesięcioleci.
Badacz ten kiedy porównał aktualne dane koncentracji CO2 z danymi historycznymi z połowy XIX w., to zauważył, że w ciągu minionych dziesięcioleci następuje wzrost temperatury globalnej. A porównując aktualną koncentrację CO2 z początkową obliczył, że przyrost nastąpił o 10 proc. I dzięki temu oszacował, że przy podwojeniu tego gazu klimat Ziemi ociepli się o 2°C.
Ogólnie można stwierdzić, że tak jak Hulburt tak samo Callendar niewiele pomylił się z oszacowaniem prawidłowej czułości klimatu przy podwojeniu CO2. 5
–
Pierwsze komputerowe badania czułości klimatu
Kanadyjski naukowiec Gilbert Plass przy badaniach rozpraszania, absorpcji i emisji promieniowania w atmosferze po raz pierwszy w 1956 r. posłużył się obliczeniami komputerowymi czułości klimatu.
I tak uczony ten przy podwojeniu koncentracji CO2 uzyskał wynik 3,6°C. A przy spadku 3,8°C. Jednak gdy w obliczeniach uwzględnił promieniowanie odbijane przez chmury, to uzyskał wynik 2,5°C..
–
W atmosferze jest wyższy stosunek izotopów węgla 12C do izotopów węgla 13C
Na temat globalnego ocieplenia wywołanego przez człowieka jest szereg dowodów ustalonych już w latach 50 XX wieku. Są to tak zwane klimatyczne odciski palców.
W 1957 roku naukowcy, z Instytutu Oceanografii im. Scrippsa (Scripps Institution of Oceanography) na Uniwersytecie Kalifornijskim w La Jolla, amerykański oceanolog Roger Revelle i austriacki fizyk jądrowy Hans Suess, zbadali po raz pierwszy izotopy dwutlenku węgla w atmosferze i w oceanach.
Badacze zaobserwowali, że nastąpił znacznie większy stosunek [δ – symbol izotopu] izotopu węgla 12C do izotopu węgla 13C. Wyciągnęli prosty wniosek, że jeśli rośliny bardziej preferują 12C niż 13C, to skoro odkryto rosnący stosunek tego pierwszego do drugiego, oznaczało to, że pochodzą one z roślin kopalnych, czyli ze spalanego węgla kamiennego i brunatnego. 6
–
Pierwszy instrumentalny pomiar koncentracji dwutlenku węgla w atmosferze
Nawiązując do ważnego wydarzenia w związku z badaniem antropogenicznej zmiany klimatu, a zwłaszcza własności fizyko-chemicznych dwutlenku węgla, Charles David Keeling, pracujący w tamtych czasach w Instytucie Oceanografii Scrippsa na Uniwersytecie Kalifornijskim w La Jolla, dokonał analizy, że na półkuli północnej zostało zaobserwowane i eksperymentalnie zbadane, systematyczne zróżnicowanie stężenia i obfitości izotopowej dwutlenku węgla w atmosferze, i to w zależności od pory roku i szerokości geograficznej. A na Antarktydzie zmierzono nieco mniejszy wzrost koncentracji tego gazu. 7
Keeling, który zapoczątkował pomiary koncentracji dwutlenku węgla w atmosferze, za pomocą metody badawczej spektrometrii masowej, w obserwatorium na Hawajach, na wulkanie tarczowym Mauna Loa (wyspa Hawai’i), zauważył, że stężenie tego gazu, które w 1959 r. wynosiło 311 cząsteczek CO2 na milion cząsteczek powietrza atmosferycznego (311 ppm – parts per million), systematycznie rośnie w atmosferze w sezonach jesieni i zimy, wówczas wegetacja roślinna ustaje. Natomiast w sezonach wiosny i lata, wegetacja roślin intensyfikuje się i więcej tego gazu jest przez nie pochłaniane. Obrazuje to wykres od 1958 roku, do połowy 2024 r., tzw. krzywa Keelinga, z charakterystycznym naprzemiennym wzrostem i spadkiem koncentracji CO2 w ciągu roku.
–
Rys.1. Krzywa Keelinga stężeń w atmosferze zmierzona w Obserwatorium Mauna Loa w latach od 1958 do 2023 r. Źródło: NOAA / CC BY-SA 4.0
–
Koncentracja dwutlenku węgla urosła o ponad 50 proc. w ciągu 248 lat
Koncentracja dwutlenku węgla od początku ruszenia pierwszego pieca parowego w 1769 r., uruchomionego przez szkockiego wynalazcę, inżyniera mechanika i chemika, przekroczyła już w 2017 r. 50 proc. emisji. „Punkt zerowy” naturalnej przedprzemysłowej stężenia tego gazu w holocenie w naszych czasach historycznych wynosił 278 cząsteczek CO2 na milion cząsteczek powietrza atmosferycznego (278 ppm – parts per million). A w 2022 r. było to 418,53 ppm – jak podał serwis Statista.
–
W sumie wynik w 2022 r. był następujący: 278 + 140 = 418 ppm. A więc dla średniej rocznej koncentracji CO2 próg 50 proc. został przekroczony.
W 2023 r. wynik wyniósł 278 + 143 = 421,08 ppm
W 2024 r. – 278 + 146 = 424,61 ppm
–
Rys. Ilość dwutlenku węgla w atmosferze (niebieska linia) wzrosła wraz z emisjami ludzkimi (szara linia) od początku rewolucji przemysłowej w 1750 r. Emisje wzrastały powoli do około 5 gigaton — jedna gigatona to miliard ton metrycznych — rocznie w połowie XX wieku, po czym gwałtownie wzrosły do ponad 35 miliardów ton rocznie pod koniec stulecia. Wykres NOAA Climate.gov, dostosowany na podstawie oryginału przez dr Howarda Diamonda (NOAA ARL). Dane dotyczące atmosferycznego CO 2 z NOAA i ETHZ . Dane dotyczące emisji CO 2 z Our World in Data i Global Carbon Project .
—
Raport sprzed lat w sprawie zmian klimatu
W Stanach Zjednoczonych została powołana specjalna grupa doradców naukowych, która w 1965 roku opublikowała raport na temat gwałtownie pogarszającego się stanu środowiska naturalnego. Co też z kolei będzie miało w przyszłości mocno ujemny wpływ na gospodarkę i cywilizację w wielu krajach. Raport został zatytułowany „Restoring the Quality of our Environment” („Przywracanie jakości środowiska”). Został w nim zamieszczony specjalny rozdział, poświęcony CO2 w atmosferze. Jego autorzy to ważne postacie naukowe tamtej epoki. Są nimi: Roger Revelle, Wallace Broecker, Harmon Craig, Charles David Keeling i Joseph Smagorinski. W niniejszym raporcie napisali prorocze słowa:
„…W ciągu kilku stuleci zwracamy do powietrza znaczną część węgla jaka była z niego usuwana przez rośliny i zasypana w osadach w czasie pół miliarda lat…. Część tego węgla zostająca w atmosferze pod postacią CO2 ma znaczący wpływ na klimat….”. 8
–
Późniejszy pomiar koncentracji dwutlenku węgla na podstawie badania pośredniego (proxy). W sumie, na podstawie zapisu rekonstrukcji klimatu sięgającego okresu przedprzemysłowego
Po wielu latach Florian Böhm i jego współpracownicy, z Centrum Badawczego Nauk o Ziemi Morskiej – GEOMAR w Kilonii, zauważyli podczas swoich badań, że od początku rewolucji przemysłowej, czyli od początku drugiej połowy XIX wieku, gdy zaczęto coraz intensywniej spalać paliwa kopalne i emitować dwutlenek węgla do atmosfery, stosunek izotopowy węgla 12C zaczął się powiększać względem 13C. I to był wyraźny sygnał, że do obecnego globalnego ocieplenia przyczynia się człowiek, już od ponad 200 lat. A koncentracja CO2 wówczas w 2002 r. wynosiła 373 ppm.
Autorzy pracy piszą:
Szkielety z gąbki koralowej są doskonałym narzędziem do rekonstrukcji historii izotopów rozpuszczonego węgla nieorganicznego (DIC – Dissolved Inorganic Carbon) w tropikalnych wodach powierzchniowych. Zapisy izotopów węgla z gąbek koralowych wyraźnie odzwierciedlają przemysłowy wzrost izotopów węgla δ12C w atmosferycznym dwutlenku węgla, z precyzją, która pozwala na ilościowe interpretacje.
Na podstawie zapisu zestawu izotopów δ13C pochodzących z czterech okazów gąbek karaibskich, stwierdzamy, że odpowiedź izotopowa nierozpuszczonego węgla nieorganicznego (DIC) w wodzie powierzchniowej na zmieniający się skład izotopowy atmosferycznego CO2 zmieniała się dynamicznie w ciągu ostatniego stulecia, w zależności od tempa zmian atmosferycznych. Trzy z naszych gąbek zapewniają 600-letnie zapisy izotopów 13C. 10
Na przestrzeni lat 1350-1850, naukowcy zaobserwowali niewielkie wahania izotopów 12C w stosunku do 13C. Wszystko się zmieniło z początkiem rewolucji przemysłowej około 1850 roku, gdy ludzkość zaczęła spalać paliwa kopalne. Wówczas stosunek izotopów 12C do 13C zaczął do dzisiejszego dnia się zwiększać.
—
Rys.2. Porównanie gąbki karaibskiej z płytkiej wody (niebieska linia ciągła) i z głębszej wody (czerwona linia przerywana). Zapisy izotopów węgla δ13C w skamielinach gąbek (wewnętrzna lewa oś y), zapisy izotopów węgla δ13C atmosferycznego CO2 (zielone krzyżyki, zewnętrzna lewa oś y) i atmosferycznym ciśnieniu cząstkowym pCO2 (niebieskie kółka, prawa oś y , podziałka odwrotna). (Dane dotyczące atmosfery pochodzą z rdzenia lodowego Antarktydy i wtrąceń powietrza firnowego [Etheridge i in., 1996; Francey i in., 1999] oraz pomiarów powietrza [Keeling i Whorf, 2001]).Klimatyczny zapis izotopów δ 13C jest skalowany pod kątem jego średniej przedindustrialnej i wartości minimalnych, aby pasował do zapisu z płytkiej wody. Standardem ustalonym dla izotopu węgla 13C jest wiedeński wzorzec porównawczy paleotemperatur, przy określaniu składu izotopowego węgla i tlenu, tzw. Vienna Pee Dee Belemnite (VPDB). Jest to kredowa skamielina morskiego głowonoga Belemnitella americana, pochodzącego z formacji Peedee w Południowej Karolinie. Linia pozioma oznacza przedprzemysłowe średnie (1350–1850 n.e.) (odpowiednio koncentracja dwutlenku węgla 280,5 ppm, przy zawartości w promilach, dla izotopu δ13C -6,37‰ oraz dla wzorca VPDB 4,95‰). Niewielkie przesunięcia w czasie pomiędzy zapisami atmosfery i zapisami gąbek mogą być artefaktami metod datowania. Niebieski pasek u góry pokazuje przybliżony czas trwania Małej Epoki Lodowcowej (Jean M. Grove, 1988). Czerwone słupki oznaczają minima słoneczne Spörera (ok. 1420–1540 n.e.) i Maundera (1645–1715 n.e.). Florian Böhm et al., 2002 / CC BY 4.0
—
W ciągu 200 lat, które upłynęły od początku epoki przemysłowej, względna zawartość 13C spadła o 2 promile.
Dwutlenek węgla łącząc się w prostej reakcji chemicznej z cząsteczką tlenu, utlenia się do cząsteczki dwutlenku węgla:
C + O2 = CO2
Gdy przybywa dwutlenku węgla w atmosferze, czyli im większe rośnie jego stężenie, tym więcej pochłania on energii cieplnej w zakresie podczerwieni o długości fal wynoszącej 15 mikrometrów (15 μm). Następnie cząsteczki CO2 wyemitowują tę energię na wszystkie strony, zarówno w kosmos, jak i ku powierzchni chmur i ku powierzchni Ziemi, dzięki czemu omówiony wcześniej efekt cieplarniany jest wzmacniany przez rosnącą koncentrację dwutlenku węgla i innych gazów cieplarnianych.
Przez ten czas wyszedł szereg prac monitorujących wzrost stężenia dwutlenku węgla w atmosferze Ziemi. Mierzymy je w wielu rejonach planety, zarówno na półkuli północnej (w Barrow na Alasce w USA, na wyspie Lampeduza we Włoszech czy na Szetlandach w Wielkiej Brytanii), jak i na południowej (na wyspie Samoa, w Cape Grim na Tasmanii w Australii, w Baring Head w Nowej Zelandii czy na biegunie południowym).
–
Aspekt zmienności sezonowej koncentracji dwutlenku węgla
Bardzo ważna zespołowa praca na temat koncentracji dwutlenku węgla ukazała się w 2013 roku. Jej główni autorzy, pracujący na co dzień we wspomnianym już Instytucie Oceanografii im. Scrippsa na Uniwersytecie Kalifornijskim w La Jolla, Heather D. Graven oraz Ralph Keeling (kontynuator pracy ojca Charlesa Keelinga), przedstawili ważny aspekt zmienności sezonowej stężenia dwutlenku węgla na półkuli północnej. 11
Mianowicie, wraz z nastaniem fotosyntezy roślin, drzew, krzewów i roślin zielnych, oraz ich rozkwitem w porze wiosennej i jej intensyfikacją w porze letniej, koncentracja dwutlenku węgla w atmosferze się zmniejsza, a gdy w porze jesienno-zimowej fotosynteza ustaje i wiele roślin zielnych obumiera, a drzewa i krzewy tracą liście, koncentracja dwutlenku węgla zwiększa się.
W czasach przedprzemysłowych stężenie dwutlenku węgla w atmosferze wahało się od 170 do 280 części na milion w ciągu ostatnich 800 000 lat.
W 1958 roku, gdy Charles Keeling zaczął gromadzić dane pomiarów stężenia dwutlenku węgla na wulkanie Mauna Loa (wyspa Hawaii), stężenie wzrosło do około 315 części na milion.
—
Fot. Obserwatorium pomiarów koncentracji dwutlenku węgla na wulkanie tarczowym Mauna Loa na wyspie Hawai’i na Hawajach. Źródło: NASA Earth Observatory.
—
Przed opublikowaniem tejże pracy w maju 2013 r., dzienne pomiary dwutlenku węgla na Mauna Loa przekroczyły 400 części na milion – po raz pierwszy w historii ludzkości.
W latach 2009-2011 roku, naukowcy przeprowadzili pomiary koncentracji CO2 z samolotów nad Północnym Pacyfikiem i Oceanem Arktycznym. I na podstawie wieloletniego, lotniczego przeglądu chemii atmosferycznej, zaobserwowali, że na wyższych szerokościach półkuli północnej, od 45° do 90° N, pomiędzy porami, wiosenno-letnią a jesienno-zimową, na wysokości 3-6 kilometrów, amplituda wymiany węgla wzrosła o około 50%, pomiędzy atmosferą a roślinnością i glebami, w porównaniu z wcześniejszymi obserwacjami z samolotów, przeprowadzonymi przez zespół naukowy pod kierownictwem Charlesa Keelinga w latach 1958-1961.
Podczas badania w 2013 roku, na niższych szerokościach, od 10° do 45° N, międzysezonowa amplituda wymiany węgla, w porównaniu z poprzednimi badaniami, wzrosła o 25%.
Graven i Keeling, wraz ze swoimi współpracownikami, oszacowali, że od początku lat 60 do 2013 roku, stężenie dwutlenku węgla, w stacjach pomiarowych na Mauna Loa (Hawaje) i na Barrow (Alaska), wzrosło o 23 procent, a od 1960 roku, średnia temperatura wzrosła o 1°C w kierunku północnym od 30° N. Ponadto naukowcy stwierdzili, że wzrost amplitudy pomiędzy porą wiosenno-letnią a jesienno-zimową ma duży wpływ na zmiany w ekosystemach. W pierwszym przypadku, podczas fotosyntezy, występuje wzmocnione nawożenie roślin dwutlenkiem węgla, a w drugim, podczas jej zaniku, zwiększenie temperatury Ziemi.
Naukowcy wyciągnęli wnioski, że wzrost międzysezonowej amplitudy wymiany węgla na średnich i wysokich szerokościach geograficznych ma także wpływ na przesuwanie się zasięgów geograficznych gatunków oraz biomów wraz ze strefami klimatycznymi. Również zmiana składu gatunkowego we florze i faunie jest coraz bardziej zauważana wraz z zaobserwowanym procesem zaburzającym dynamikę biosfery lądowej i morskiej. W ekosystemach leśnych i pozaleśnych następują zmiany węgla w liściach, korzeniach i pniach (łodygach) roślin drzewiastych i zielnych.
Na wysokich szerokościach geograficznych, obok zaniku fotosyntezy w porze jesienno-zimowej, na duży sezonowy wzrost koncentracji dwutlenku węgla w atmosferze ma też ogrzewanie mieszkań, obiektów użyteczności publicznej oraz zakładów przemysłowych.
–
Lądowy pochłaniacz sprawił, że 2016 r. był mniej rekordowy
Naukowcy przewidzieli, że średnia roczna koncentracja dwutlenku węgla w 2016 r. w obserwatorium Mauna Loa na Hawajach przekroczy 400 ppm.
Trevor Keenan z Wydziału Nauk o Ziemi w Lawrence Berkeley National Laboratory wraz ze swoim zespołem naukowym w tym samym roku zwrócił interesującą uwagę, że przyrost emisji antropogenicznych nieco zredukował się przy znaczącym wzroście lądowego pochłaniacza CO2, konkretnie roślinności. W tymże czasie, gdy wystąpiło bardzo silne i długotrwałe El Niño, temperatura planeta sięgnęła rekordowego poziomu. Wniosek z tego wypływa taki, że gdyby nie lądowy pochłaniacz to nie tylko koncentracja dwutlenku węgla mogłaby być większa, ale również średnia globalna temperatura planety mogłaby być jeszcze bardziej rekordowa. 12
Oceany i biosfera lądowa usuwają około 45% CO2, które jest emitowane przez działalność człowieka każdego roku. Ponadto tempo pochłaniania tego gazu nie jest caly czas stałe i w odpowiedzi na zmiany w atmosferze (np. wpływ El Niño czy erupcji wulkanicznych) w ciągu roku zmienia się nieznacznie. Powyżej wymienieni badacze zaznaczają, że w ciągu ostatnich 50 lat coroczna ilość pochłanianego CO2 przez oceany i biosferę lądową wzrosła ponad dwukrotnie. I to pomimo znaczącego wzrostu ekstremalnych zjawisk jak: susze, pożary czy nawet gradacje owadów. Jednak inni badacze stwierdzili, że w tropikach (np. w Amazonii) lądowy pochłaniacz zaczął zawodzić. Roślinność zaczęła coraz więcej emitować i wolniej pochłaniać CO2. Jednakże od początku naszego wieku do 2016 r.l lekko powiał promyk nadziei. Zwiększenie zalesień na Ziemi przyniosło z sobą większe nawożenie tym fotosyntetycznym gazem.
–
Rys. a) Obserwowane (ciągła czarna linia) i modelowane (zespół DGVM — średnia (przerywana czarna linia) i odchylenie standardowe (pomarańczowy obszar)) zmiany w tempie wzrostu atmosferycznego CO 2 od 1960 do 2012 r. Pionowa szara linia (2002) wskazuje punkt zmiany strukturalnej zidentyfikowanej przy użyciu analizy modelowania liniowego. Czerwone linie wskazują na istotny trend wzrostowy od 1959 do 1990 r. (ciągła czerwona) i od 1959 do 2002 r. (przerywana czerwona) ( P <0,1), bez widocznego trendu między 2002 a 2014 r. (niebieski). Wszystkie trendy oszacowano przy użyciu nieparametrycznego testu trendu Tau Manna–Kendalla metodą Sena. Szary obszar przedstawia podstawową 5-letnią dynamikę (średnia ± 1 odchylenie standardowe), oszacowaną przy użyciu SSA. b) Emisje paliw kopalnych (czarna linia przerywana) i frakcja emisji CO 2 , która pozostaje w atmosferze każdego roku (czarne kropki, frakcja w powietrzu). Linie wskazują istotne długoterminowe trendy w okresach 1959–1988 (czerwona, rosnąca) i 2002–2014 (niebieska, malejąca) przy P <0,1. Czerwona linia przerywana pokazuje nieznaczny trend wzrostowy między 1959 a 2002 r. ( P =0,18). Szary obszar przedstawia podstawową 5-letnią dynamikę (średnia ± 1 odchylenie standardowe), oszacowaną przy użyciu analizy widma osobliwego. Źródło: Trevor Keenan / CC BY 4.0
Keenan i jego zespół naukowy jednoznacznie stwierdzili, że globalne ocieplenie na terenach porośniętych roślinnością wyraźnie spowolniło od początku XXI wieku. Aczkolwiek w skali planetarnej niestety w 2016 r. okazało się ono rekordowe. Pomimo zmniejszenia koncentracji CO2 w atmosferze.
Naukowcy w swoich badaniach wykorzystali:
a) obserwacje naziemne wymiany CO2 Ziemia-atmosfera,
b) obserwacje CO2 w atmosferze,
c) obserwacje satelitarne roślinności za pomocą 10 prognostycznych dynamicznych globalnych modeli roślinności (DGVM – dynamic global vegetation models)
–
Obserwacje satelitarne pokazują nierównomierne rozkłady koncentracji CO2 nad niektórymi regionami Ziemi.
Średnia roczna koncentracja dwutlenku węgla w 2022 r. już wyniosła 417,1 ppm.
Jedno z badań w 2022 r. chińskiego zespołu naukowego pod przewodnictwem Weia Chenga z Instytutu Nauk Geograficznych i Badań Zasobów Naturalnych w Chińskiej Akademia Nauk w Pekinie, mówi o nierównomiernych rozkładach stężeń CO2 w środkowej troposferze na podstawie badań z satelitów. Konkretnie zbadano kolumnę CO2
– z chińskiego Global Carbon Dioxide Monitoring Scientific Experimental Satellite (TanSat), – z amerykańskiego Orbiting Carbon Observatory-2 (OCO-2) (NASA),
– z japońskiego Greenhouse Gases Observing Satellite (GOSAT),
a także wykorzystano atmosferyczny detektor podczerwieni (AIRS – atmospheric infrared sounder) w celu zbadania koncentracji CO2 w środkowej troposferze. AIRS jest jednym z sześciu instrumentów znajdujących się na pokładzie satelity Aqua należącego do NASA. 13
Chińscy naukowcy przypominają, że obszary o niskich stężeniach CO2 są umiejscowione w atmosferze na wysokich szerokościach geograficznych. Tam gdzie jest brak jakichkolwiek emisji tego gazu. Natomiast rozkład obszarów o wysokich stężeniach CO2 w atmosferze jest zaznaczony w większości na półkuli północnej (0-60°N) i w mniejszej części na południowej (0-30°S). Satelity zaobserwowały, że na ogół stężenia te mają miejsce tam gdzie są wysokie emisje, źródła naziemne oraz poziome i pionowe ruchy wiatrów.
Niewiele badań symulacji klimatu było opartych na globalnie nierównomiernych wzorcach rozkładu średniego CO2. Niejednorodne symulacje komputerowe tego gazu zostały przedstawione jednocześnie za pomocą modeli:
– chińskiego Beijing Normal University Earth System Model (BNU-ESM)
– amerykańskiego Community Earth System Model (CESM)
Badacze piszą:
Niewiele badań symulacyjnych klimatu oparto na globalnie niejednolitych średnich wzorcach dystrybucji CO2. Powoduje to obniżenie szacowanych średnich temperatur, a w konsekwencji pewne zrozumienie reakcji systemu ziemskiego na rzeczywiste niejednorodne stężenia CO2. W modelu Beijing Normal University Earth System Model (BNU-ESM) niejednorodne symulacje CO2 są napędzane rocznymi stężeniami tego gazu ze zmianami przestrzennymi i sezonowymi pochodzącymi z obserwacji satelitarnych. Podczas gdy w modelu Community Earth System Model (CESM), przestrzennie niejednorodne symulacje CO2 wykorzystują zalecane miesięczne lub roczne emisje CO2 na poziomie krajowym, które są ważone gęstością zaludnienia siatki.
I tu badacze chińscy podkreślają:
Zarówno symulacje BNU-ESM, jak i CESM (jednocześnie razem) z przestrzennie niejednorodnymi CO2 odtwarzają postępujący wzrost temperatury z lepszą zgodnością z przestrzennie rozmieszczonymi globalnymi obserwacjami temperatury powietrza na powierzchni niż przy użyciu przestrzennie jednorodnych symulacji. Niejednorodne rozkłady CO2 mogą zwiększyć realizm globalnego modelowania klimatu.
—
Referencje:
1. Foote Eunice , 1856 ; Circumstances affecting the heat of the sun’s rays ; American Journal of Science and Arts 22: 382-383 ; https://static1.squarespace.com/…/foote_circumstances…
2. Tyndall John., 1872 ; Contributions to Molecular Physics in the Domain of Radiant Heat ; Longmand, green and co ; https://archive.org/…/contributionsto0…/page/n8/mode/2up
3. Arrhenius Svante., 1896 ; On the Influence of Carbonic Acid in the Air upon the Temperature of the Ground ; Philosophical Magazine and Journal of Science 41: 237-276 ; https://www.rsc.org/images/Arrhenius1896_tcm18-173546.pdf
4. Hulburt Edward O., (1931). „The Temperature of the Lower Atmosphere of the Earth”. Phys. Rev. 38: 1876–1890
5. Callendar, Guy Stewart (1938) „The artificial production of carbon dioxide and its influence on temperature”. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 64: 223-240
6. Revelle Roger et al., 1957 ; Carbon Dioxide Exchange Between Atmosphere and Ocean and the Question of an Increase of Atmospheric CO2During the Past Decades ; Tellus ; https://www.tandfonline.com/…/10.3402/tellusa.v9i1.9075
7. Keeling Charles David , 1960 ; The Concentration and Isotopic Abundances of Carbon Dioxide in the Atmosphere ; Tellus ; http://www.rescuethatfrog.com/…/2017/01/Keeling-1960.pdf
8. United States. President’s Science Advisory Committee. Environmental Pollution Panel. (1965) Restoring the quality of our environment: Report. University of California Libraries (January 1, 1965), ASIN: B008SIPJY8
9. Böhm F. et al., 2002 ; Evidence for Preindustrial Variations in the Marine Surface Water Carbonate System from Coralline Sponges ; Geochemistry, Geophysics and Geosystems ; https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/…/2001GC000264
10. Graven Heather D. et al., 2013 ; Enhanced Seasonal Exchange of CO2 by Northern Ecosystems Since 1960 ; Science ; https://www.science.org/doi/10.1126/science.1239207
11. Keenan Trevor F. et al., 2016, Recent pause in the growth rate of atmospheric CO2 due to enhanced terrestral carbon uptake, Nature Communications
12. Cheng Wei et al., 2022, Global monthly gridded atmospheric carbon dioxide concentrations under the historical and future scenarios, Scientific Data